Desde el siglo XXII hasta el siglo XIX los científicos creían que el calor era una sustancia que fluía entre sustancias y objetos fríos y calientes. Esta sustancia que viajaba entre los objetos era llamado “flogisto” o “calórica”.
En 1840 James Joule mostró que la temperatura de una sustancia podía aumentar haciendo trabajo sobre ella y que haciendo este trabajo equivalía al calor.
La física térmica es un estudio combinado de la termodinámica, la mecánica estadística y la teoría cinética de los gases.
Temperatura: La temperatura se define como una cantidad escalar que se mide en unidades de grados Celsius (°C) o Kelvin (K).
imagen 1: James Prescott Joule
De igual manera se define como la medida de transferencia de energía térmica entre dos o más sustancias.
La temperatura absoluta es el valor de la temperatura medida con respecto a una escala que comienza en el cero absoluto (0 K ó −273,15 °C).
Para convertir la temperatura en grados Celsius a la temperatura absoluta se usa:
Conversión: T (K) =Ɵ°C + 273
Donde T representa la temperatura absoluta y Ɵ la temperatura en grados Celsius
imagen 2: Escala de temperatura en Fahrenheit, Celsius y Kelvin
Energía Térmica: Es la energía asociada a todas las energías presentes en el interior de una sustancia o un material.
Ø Energía cinética de translación
Ø Energía cinética de rotación
Ø Energía potencial eléctrica
Ø Energía química
Ø Energía nuclear
Transferencia de energía térmica: La transferencia de energía térmica de un cuerpo a otro debido a una diferencia de temperatura es denominada calor.
La temperatura de dos objetos determina la dirección en la que la energía se transfiere; la energía tiende a pasar del objeto más caliente al más frió hasta que los dos tengan la misma temperatura lo que se denomina como equilibrio térmico, es decir que los cuerpos se encuentran a una misma temperatura y por lo tanto la transferencia de energía no continuaría.
Mecanismos de transferencia de energía térmica: Convección: Consiste en la transferencia de calor cuando se usa un fluido ya sea líquidos o gases para extraerle calor a una sustancia. Conducción: basado en el contacto directo entre dos superficies en contacto. Radiación: se da a través de la emisión de ondas infrarrojas. Imagen 3: Mecanismos de transferencia de energía térmica- Conducción, Convección y Radiacción.
Energía interna: Se define como la energía asociada con el movimiento aleatorio y desordenado de las moléculas.
Cuando a una sustancia se le transfiere energía las partículas de ella se comenzaran a mover por lo tanto la separación aumentara al igual que su velocidad. Cuando las partículas se separan unas de otras la energía potencial de ellas aumentara al igual que su energía cinética cuando su velocidad aumenta.
La energía interna de una sustancia es el total de la energía potencial y la energía cinética aleatoria de todas las partículas en la sustancia
Imagen 4: Efectos de la transferencia de calor-Energía interna
Calor específico:
El calor específico de una sustancia se denomina como la energía necesaria para elevar en una unidad de temperatura (Kelvin o grado Celsius) cierta cantidad de masa de una sustancia. Se representa con la c minúscula.
imagen 5 y 6: Ecuaciones calor especifico.
Donde Q es la cantidad de energía que se le suministra a un objeto de masa m y haciendo que su temperatura se eleve por ΔT. Unidades: cuando Q esta en julios (J), m en kilogramos (kg) y ΔT en K el calor especifico es decir c tendría como unidades J Kg-1 K-1
Ejemplo: Encontrar el calor especifico de 350 g de un material desconocido de 35KJ de calor son aplicados para elevar la temperatura de 23 °C de 23 °C a 173°C
Ejemplo: Encontrar el calor especifico de 350 g de un material desconocido de 35KJ de calor son aplicados para elevar la temperatura de 23 °C de 23 °C a 173°C
35 KJ x 1000 = 35000 J
Gramos a kilos 350/1000= 0.35 kg
Capacidad calorífica:
Se define como la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura de una sustancia
Ecuación: -Qcede=Qacepta Nota: la temperatura de equilibro es igual a la temperatura final Una masa de cobre de 100gramos a 20 grados centígrados se pone en contacto térmico con otra masa de cobre de 100 gramos a 80 °C. Calcular la temperatura de equilibrio.
Calor latente: Se define como la cantidad de energía necesaria para transformar una sustancia de un estado a otro.
Calor latente de fusión: Es la energía necesaria para cambiar de fase 1 kg de líquido ha solido sin ningún cambio de temperatura. Calor latente de vaporización: Energía necesaria para cambiar de fase 1kg de líquido a un gas sin ningún cambio de temperatura.
imagen 7 y 8: Gráficas de Temperatura de una sustancia y su cambio con el tiempo.
En estas gráficas se muestra como la temperatura de una substancia cambia con el tiempo. Las partes planas de la gráfica indican cuando no hay cambio de temperatura y por lo tanto la sustancia está cambiando de fase.
Esta gráfica asume que la energía es suministrada por una fuente de energía constante y así, como la energía es el producto de potencia y tiempo, un gráfico de la temperatura contra la energía transferida a la sustancia tendrá la misma forma de esta grafica
Desde el momento de cada sección horizontal de la gráfica también se puede calcular el calor específico de las fases sólida y líquidas
Ejemplo: Calcular la energía necesaria para evaporar a 110 grados Celsius 200 gramos de Hielo que están a -20 grados Celsius.
Calor especifico Hielo=2090
Calor especifico Agua=4186
Calor latente de fusión=334000
Calor latente de vaporizacón= 2.2 x 106
La transferencia de energía a un sólido aumenta su energía interna, lo que significa que la energía cinética aleatoria media de las moléculas aumenta y la energía potencial intermolecular también aumentará. Con el tiempo algunos grupos de moléculas se mueven lo suficientemente lejos de sus vecinos. Los químicos solían utilizar el modelo de los enlaces intermoleculares donde estos enlaces se rompían. Cuando esto ocurre la energía suministrada no aumenta la energía cinética aleatoria media de las moléculas sino que aumenta la energía potencial de las moléculas. Eventualmente los grupos de moléculas son lo suficientemente libres para que el sólido se derrita. La velocidad media de los grupos de moléculas ahora aumentará y la temperatura también- las moléculas se separan las unas de las otras y se unen en con una velocidad constante. La energía potencial no cambia en promedio. Cuando el líquido alcanza su punto de ebullición las moléculas empiezan a moverse alejándose entre sí dentro de sus grupos. Las moléculas individuales se separan y la energía potencial aumenta cuando se le proporciona energía. Una etapa es alcanzada en donde la energía cinética media se mantiene constante hasta que todas las moléculas se separen las unas de las otras. Se logra ver una temperatura constante. La energía está vaporizando el líquido y solo cuando todo el líquido este vaporizado es la energía aplicada para elevar la temperatura del gas.
imagen 9= Representación molecular del cambio de estado de una sustancia.
Vídeo explicativo con ejemplos:
Obtenido de: https://youtu.be/uRW9fCE-N8k Transferencia de calor por medio de energía eléctrica: W=Pt P= VI W=Qacepta es decir Pt=mc (Tf-Ti) Ejemplo:
Un calentador se usa para hervir un líquido en una sartén durante un tiempo determinado. Datos disponibles:
Potencia del calentador = 25w
Tiempo durante el cual el líquido se hierve = 6.2 x 102 s
Masa del líquido = 4.1x 10-2 kg
Utilizar los datos para determinar el calor latente específico de vaporización del líquido.
Q= Pt Q= 25 x 6.2 x 102= 15500 J
Q= mL se compara es decir que 15500J= 4.1 x 10-2 x L
En 1840 James Joule mostró que la temperatura de una sustancia podía aumentar haciendo trabajo sobre ella y que haciendo este trabajo equivalía al calor.
La física térmica es un estudio combinado de la termodinámica, la mecánica estadística y la teoría cinética de los gases.
Temperatura:
La temperatura se define como una cantidad escalar que se mide en unidades de grados Celsius (°C) o Kelvin (K).
imagen 1: James Prescott Joule
De igual manera se define como la medida de transferencia de energía térmica entre dos o más sustancias.
La temperatura absoluta es el valor de la temperatura medida con respecto a una escala que comienza en el cero absoluto (0 K ó −273,15 °C).
Para convertir la temperatura en grados Celsius a la temperatura absoluta se usa:
Conversión:
T (K) =Ɵ°C + 273
Donde T representa la temperatura absoluta y Ɵ la temperatura en grados Celsius
Energía Térmica:
Es la energía asociada a todas las energías presentes en el interior de una sustancia o un material.
Transferencia de energía térmica:
La transferencia de energía térmica de un cuerpo a otro debido a una diferencia de temperatura es denominada calor.
La temperatura de dos objetos determina la dirección en la que la energía se transfiere; la energía tiende a pasar del objeto más caliente al más frió hasta que los dos tengan la misma temperatura lo que se denomina como equilibrio térmico, es decir que los cuerpos se encuentran a una misma temperatura y por lo tanto la transferencia de energía no continuaría.
Mecanismos de transferencia de energía térmica:
Convección: Consiste en la transferencia de calor cuando se usa un fluido ya sea líquidos o gases para extraerle calor a una sustancia.
Conducción: basado en el contacto directo entre dos superficies en contacto.
Radiación: se da a través de la emisión de ondas infrarrojas.
Imagen 3: Mecanismos de transferencia de energía térmica- Conducción, Convección y Radiacción.
Energía interna:
Se define como la energía asociada con el movimiento aleatorio y desordenado de las moléculas.
Cuando a una sustancia se le transfiere energía las partículas de ella se comenzaran a mover por lo tanto la separación aumentara al igual que su velocidad. Cuando las partículas se separan unas de otras la energía potencial de ellas aumentara al igual que su energía cinética cuando su velocidad aumenta.
La energía interna de una sustancia es el total de la energía potencial y la energía cinética aleatoria de todas las partículas en la sustancia
Imagen 4: Efectos de la transferencia de calor-Energía interna
Calor específico:
El calor específico de una sustancia se denomina como la energía necesaria para elevar en una unidad de temperatura (Kelvin o grado Celsius) cierta cantidad de masa de una sustancia.
Se representa con la c minúscula.
imagen 5 y 6: Ecuaciones calor especifico.
Donde Q es la cantidad de energía que se le suministra a un objeto de masa m y haciendo que su temperatura se eleve por ΔT.
Unidades: cuando Q esta en julios (J), m en kilogramos (kg) y ΔT en K el calor especifico es decir c tendría como unidades J Kg-1 K-1
Ejemplo: Encontrar el calor especifico de 350 g de un material desconocido de 35KJ de calor son aplicados para elevar la temperatura de 23 °C de 23 °C a 173°C
Ejemplo: Encontrar el calor especifico de 350 g de un material desconocido de 35KJ de calor son aplicados para elevar la temperatura de 23 °C de 23 °C a 173°C
35 KJ x 1000 = 35000 J
Gramos a kilos
350/1000= 0.35 kg
Capacidad calorífica:
Se define como la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura de una sustancia
Se la representa con la letra C (mayúscula)
vídeo ejemplo:
Obtenido de: https://youtu.be/DseCCR_1rrQ
Cuando hay transferencia de energía térmica:
Ecuación: -Qcede=Qacepta
Nota: la temperatura de equilibro es igual a la temperatura final
Una masa de cobre de 100gramos a 20 grados centígrados se pone en contacto térmico con otra masa de cobre de 100 gramos a 80 °C.
Calcular la temperatura de equilibrio.
-Qcede=Qacepta
-mc (Ti-Tf) = mc (Ti-Tf)
-mc (Ti-Tf) = mc (Ti-Tf)
- (Ti-Tf) = (Ti-Tf)
- Ti+Tf = Ti-Tf
- Ti+80 = Ti-20
80 = Tf-20+Tf
80+20=2Tf
100=2Tf
100/2=Tf
50°C = Tf
Calor latente:
Se define como la cantidad de energía necesaria para transformar una sustancia de un estado a otro.
Calor latente de fusión: Es la energía necesaria para cambiar de fase 1 kg de líquido ha solido sin ningún cambio de temperatura.
Calor latente de vaporización: Energía necesaria para cambiar de fase 1kg de líquido a un gas sin ningún cambio de temperatura.
imagen 7 y 8: Gráficas de Temperatura de una sustancia y su cambio con el tiempo.
En estas gráficas se muestra como la temperatura de una substancia cambia con el tiempo. Las partes planas de la gráfica indican cuando no hay cambio de temperatura y por lo tanto la sustancia está cambiando de fase.
Ejemplo: Calcular la energía necesaria para evaporar a 110 grados Celsius 200 gramos de Hielo que están a -20 grados Celsius.
Calor especifico Hielo=2090
Calor especifico Agua=4186
Calor latente de fusión=334000
Calor latente de vaporizacón= 2.2 x 106
200 gramos=0.2 Kg
Q1= (0.2) (2090) (0+20) =8360 J
Q2= (0.2) (334000)= 66800 J
Q3= (0.2) (4186) (100-0) = 83720 J
Q4 = (0.2) (2.2 x 106)= 440000 J
Q5= (0.2) (4186) (110-100)= 8372 J
QTOTAL= 8360 J + 66800 J + 83720 J+ 440000 J + 8372 J =607252 J
Explicación molecular de cambio de fase
La transferencia de energía a un sólido aumenta su energía interna, lo que significa que la energía cinética aleatoria media de las moléculas aumenta y la energía potencial intermolecular también aumentará. Con el tiempo algunos grupos de moléculas se mueven lo suficientemente lejos de sus vecinos. Los químicos solían utilizar el modelo de los enlaces intermoleculares donde estos enlaces se rompían. Cuando esto ocurre la energía suministrada no aumenta la energía cinética aleatoria media de las moléculas sino que aumenta la energía potencial de las moléculas.
Eventualmente los grupos de moléculas son lo suficientemente libres para que el sólido se derrita. La velocidad media de los grupos de moléculas ahora aumentará y la temperatura también- las moléculas se separan las unas de las otras y se unen en con una velocidad constante. La energía potencial no cambia en promedio. Cuando el líquido alcanza su punto de ebullición las moléculas empiezan a moverse alejándose entre sí dentro de sus grupos. Las moléculas individuales se separan y la energía potencial aumenta cuando se le proporciona energía. Una etapa es alcanzada en donde la energía cinética media se mantiene constante hasta que todas las moléculas se separen las unas de las otras. Se logra ver una temperatura constante. La energía está vaporizando el líquido y solo cuando todo el líquido este vaporizado es la energía aplicada para elevar la temperatura del gas.
imagen 9= Representación molecular del cambio de estado de una sustancia.
Vídeo explicativo con ejemplos:
Obtenido de: https://youtu.be/uRW9fCE-N8k
Transferencia de calor por medio de energía eléctrica:
W=Pt
P= VI
W=Qacepta es decir Pt=mc (Tf-Ti)
Ejemplo:
Un calentador se usa para hervir un líquido en una sartén durante un tiempo determinado.
Datos disponibles:
Potencia del calentador = 25w
Tiempo durante el cual el líquido se hierve = 6.2 x 102 s
Masa del líquido = 4.1x 10-2 kg
Utilizar los datos para determinar el calor latente específico de vaporización del líquido.
Q= Pt Q= 25 x 6.2 x 102= 15500 J
Q= mL se compara es decir que 15500J= 4.1 x 10-2 x L
Bibliografía
Nave, M. O. (s.f.). Calor especifico. Obtenido de hyperphysics: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/thermo/spht.html
Nave, M. O. (s.f.). Energía Interna. Obtenido de hyperphysics: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/thermo/inteng.html
Radiaccion,Conduccion y Conveccion: tres formas de trasferencia de calor . (27 de junio de 2013). Obtenido de Energiza:
http://nergiza.com/radiacion-conduccion-y-conveccion-tres-formas-de-transferencia-de-calor/ra
Russell, R. (28 de mayo de 2010). Fisica Termica . Obtenido de Ventanas al universo:
http://www.windows2universe.org/physical_science/physics/thermal/sw_thermal.html&lang=sp
David Homer, M. B.-J. (2014). Physics. Oxford: Oxford University Press.
Bibliografía imagenes:
imagen 1: http://www.biografiasyvidas.com/biografia/j/fotos/joule.jpg
imagen 2:http://1.bp.blogspot.com/-qTNGC9yJGso/Us2Tpd97UVI/AAAAAAAAMQ4/p7dSVDU74TE/s1600/La+escala+Kelvin.gif
imagen 3:http://www.artinaid.com/wp-content/uploads/2013/02/Conducci%C3%B3n-y-radiaci%C3%B3n.jpg
imagen 4: http://www.educa.madrid.org/web/ies.alonsoquijano.alcala/carpeta5/carpetas/quienes/departamentos/ccnn/CCNN-1-2-ESO/2eso/2ESO-12-13/Bloque-III/T-3-Trabajo-Energia-Calor/imagenes/043-calor-e-INTERNA.png
imagen 5:http://pad2.whstatic.com/images/thumb/7/70/Calculate-Specific-Heat-Step-2-Version-3.jpg/670px-Calculate-Specific-Heat-Step-2-Version-3.jpg
imagen 6:http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/thermo/spht.html
imagen 7:https://sites.google.com/site/paulaportfolio/_/rsrc/1302543641463/2o-trimestre/calor-especifico-y-latente/cambios%20de%20estado.png
imagen 8: http://www.fisicanet.com.ar/fisica/termodinamica/ap1/calor05.gif
imagen 9: http://4.bp.blogspot.com/_T21emROTXxQ/TO9Nh8zOcgI/AAAAAAAAACM/wKDXfw2lix8/s1600/materia.jpg